Simulação das características elétricas de dispositivos de efeito de campo multiportas nanométricos

Abstract

A simulação numérica tridimensional é uma ferramenta de trabalho de uso cada vez mais freqüente, devido ao baixo custo envolvido, se comparado ao custo de produção e testes de dispositivos em laboratório. A simulação também apresenta vantagens técnicas, como a possibilidade de variação rápida de características dos dispositivos, com resposta praticamente imediata. Outra fundamental vantagem é a possibilidade de análise das principais grandezas elétricas no interior dos dispositivos, o que é praticamente impossível de se realizar experimentalmente. Este trabalho estuda características de transitores SOI de efeito de campo, em estruturas de 30nm a 70nm de largura de canal, utilizando-se de simulação tridimensional e avaliando a possibilidade de uso de modelos de confinamento quântico em transistores dessas dimensões, uma vez que tais modelos foram originalmente implementados para estruturas menores. Foram simuiladas estruturas bidimensionais com modelos de Física Clássica e com modelos de confinamento quântico (BQP e Schrodinger-Poisson), a fim de escolher a opçãp de modelo que apresenta o melhor resultado. Pode-se observar neste trabalho que o uso do modelo de confinamento quântico BQP é ideal para estruturas muito pequenas (as estruturas com larguras de 30 e 40nm foram facilmente calibradas), mas para larguras acima destas apresenta problemas de convergência e pouco ganho de qualidade. Além da avaliação do uso de modelos de confinamento quântico, explorou-se também o uso do simulador para análise da distribuição de potencial e cargas no interior do dispositivo. Foi tomado o exemplo dos dispositivos de porta tripla que, depois analisados pelos parâmetros elétricos extraídos das curvas corrente x tensão (tensão de limiar, inclinação de sublimiar e transcondutância), foram observados através de planos de corte (transversal e longitudinal) contendo concentração de portadores e potencial elétrico. Com isso, foi possível observar como as variações geométricas de alteração da inclinação das paredes laterais, variações de comprimento de canal e níveis de dopagem influencial no funcionamento do dispositivo (demonstrado neste trabalho através das variações de concentração de elétrons no canal e nas variações de parâmetros elétricos).

Three-dimensional simulation is a useful working tool, due, to its increasingly functionality and low cost, if compared to the cost of production and test of devices in laboratory. Simulation also has technical advantages, such as the possibility of quick changes in devices characteristics, with almost immediate response. Another advantage is the possibility to anlyze the main electrical quantities inside the device, which is practically impossible to achieve experimentally. This study examine characteristics of SOI field effect transitors, using three-dimensional simulation and evaluating the possibility of using quantum confinement models in strucutures of 30 to 70 nm of channel width. Bi-dimensional structures were simulated with Classic Physics and Quantum Confinement models (Shrodinger-Poisson and BQP), to choose the model that offers the best result. Quantum confinement model BQP showed to be ideal to very small structures (structures with widths up to 40nm were easily calibrated), but for widhts above these values it presents some convergence problems and small accurateness gain. In addition to evaluating the use of quantum confinement models, this work also explored the simulator for analysis of the potential and carrier concentrations inside the device. The triple gate device was used as example. It was possible to observe as some geometric and doping level variations influence the distribution of carries inside the silicon.